جعل السجلات كفاءة SNS خلايا شمسية بواسطة التبخير الحراري وترسب طبقة الذري

الهدف العام من هذا الإجراء هو إنشاء منصة موثوقة لتطوير الخلايا الشمسية القائمة على مواد جديدة. ويتم تحقيق ذلك أولاً من خلال تحضير ركيزة عازلة كهربائياً ونظيفة. أما الخطوة الثانية فهي ترسيب طبقتين من الموليبدينوم عن طريق الرش المهبطي (sputtering) لتشكيل التلامس الكهربائي الانتقائي للثقوب الخلفية.

بعد ذلك، يتم ترسيب الممتص من كبريتيد القصدير من النوع P إما عن طريق الترسيب بالطبقات الذرية أو التبخير الحراري. والخطوة النهائية هي إكمال وصلة PN عن طريق ترسيب مجموعة من الطبقات من النوع N تتكون من طبقة عازلة من أوكسي كبريتيد الزنك المركب، تليها طبقة من أكسيد موصل شفاف وأصابع معدنية مرسبة للمساعدة في تجميع الشحنات. وفي النهاية، يتم اختبار الخلايا الشمسية الناتجة عن طريق قياس منحنيات التيار والجهد تحت ضوء شمسي محاكى وكفاءة الكم تحت إضاءة أحادية اللون.

على الرغم من استعراض هذه الطريقة لتطوير خلايا شمسية من كبريتيد القصدير، إلا أنه يمكن استخدامها أيضاً لتطوير خلايا شمسية ذات ركيزة من أغشية رقيقة غير عضوية تعتمد على مواد جديدة أخرى. سيقوم Schwan Yang، طالب دراسات عليا في مجموعة Gordon بجامعة Harvard، بشرح عملية ترسيب كبريتيد القصدير عن طريق ترسيب الطبقة الذرية. بينما سيقوم Steinman، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر أبحاث الخلايا الكهروضوئية في MIT، بشرح عملية ترسيب كبريتيد القصدير عن طريق التبخير الحراري.

يبدأ هذا الفيديو بعد تحضير ركائز رقائق السيليكون. استخدم رقائق سيليكون مصقولة بمقاس بوصة مربعة واحدة وبسمك 500 micron مع طبقة أكسيد حراري بسمك 300 nanometer أو أكثر. أولاً، قم بترسيب طبقة التصاق من الموليبدينوم بسمك 360 nanometer عن طريق الرش المهبطي (sputtering)، ثم قم بترسيب طبقة توصيل ثانية من maum بسمك 360 nanometer.

تُخزن الركائز المُحضرة في صندوق قفازات مملوء بالنيتروجين حتى يحين وقت ترسيب كبريتيد القصدير لتجهيز الركائز لعملية الترسيب بالطبقات الذرية. أولاً، يتم نقلها إلى جهاز تنظيف بالأوزون والأشعة فوق البنفسجية لإزالة الجسيمات العضوية. تُنظف الركائز لمدة خمس دقائق.

أثناء عملية التنظيف، تأكد من وجود حامل الركائز الخاص بغرفة الترسيب في مكان قريب. وعندما تصبح الركائز جاهزة، استعدها وضعها في حامل العينات. وبذلك يصبح حامل العينات محملاً بالركائز وجاهزاً لوضعه في غرفة الترسيب.

أدخل الحامل في الفرن، ثم قم بتفريغ الفرن باستخدام مضخة تفريغ أولية. بعد ذلك، قم بتثبيت درجة حرارة الفرن عند 200 °C. ثم انتقل إلى فحص السلائف.

يتم الحفاظ على السلائف الخاصة بترسيب كبريتيد القصدير في فرن عند درجة حرارة 95 °C. يتم ترتيب أنابيب الغاز لتوفير غاز النيتروجين النقي للمساعدة في نقل بخار السلائف. السلائف الثانية هي كبريتيد الهيدروجين في خليط غازي يتكون من 4% كبريتيد الهيدروجين في غاز النيتروجين، ثم يتم المضي في عملية الترسيب بمعدل نمو قدره 0.33 angstroms لكل دورة.

خلال كل دورة من دورات ترسيب الطبقات الذرية، يتم توفير ثلاث جرعات من 10 ate لإجمالي تعريض يبلغ 1.1 tor second. ثم تُفرغ الحجرة باستخدام غاز النيتروجين. بعد ذلك، يُحقن كبريتيد الهيدروجين في غاز النيتروجين لتعريض يبلغ 1.5 tor second.

أخيراً، قم بعملية التطهير مرة أخرى باستخدام النيتروجين. وتعد طريقة التبخير الحراري وسيلة ترسيب بديلة. تأكد من أن ضغط غرفة المعالجة يبلغ 2 × 10⁻⁷ tor أو أقل.

استخدم حامل عينات يحتوي على تجاويف ذات أحجام مناسبة لتثبيت الركيزة بإحكام. وكما سبق، استخدم ركيزة مُحضرة مسبقاً بطبقتين من molybdenum. موضح هنا بشكل تخطيطي.

قم بتحميل الحامل بهذه الركيزة وركائز CYS إضافية صغيرة للتوصيف لاحقاً. أدخل حامل العينة في المبخر الحراري عبر قفل التحميل. قم بتفريغ قفل التحميل، ثم انقل الركائز إلى غرفة النمو.

باستخدام ذراع النقل عندما تكون في موضعها، قم بزيادة درجة حرارة سخانات المصدر والركيزة تدريجياً لتحقيق معدل نمو قدره 1 angstrom في الثانية ودرجة حرارة ركيزة تبلغ 240 °C. الآن، ارفع الركائز من أجل قياس معدل الترسيب باستخدام مراقب الكريستال الكوارتزي. قم بتفعيل ذراع الإزاحة الخطية لتحريك مراقب الكريستال الكوارتزي إلى غرفة المعالجة.

بمجرد وضعه في مكانه، افتح غالق المصدر لبدء القياس. يُشار إلى معدل النمو على اللوحة الأمامية لوحدة تحكم مراقب الكريستال (Crystal Monitor). عند اكتمال القياس، أغلق الغالق وأخرج مراقب الكوارتز من الغرفة.

بعد ذلك، اخفض الركائز إلى موضع النمو وافتح غالق المصدر لبدء عملية الترسيب. وبالنسبة لسماكة الغشاء المستهدفة البالغة 1000 nanometers، ستستغرق عملية الترسيب حوالي ثلاث ساعات. وعند اكتمال الترسيب، أغلق غالق المصدر.

كرر قياس معدل النمو باستخدام مراقب البلورة الكوارتزية. بعد القياس، أغلق غالق المصدر، وأوقف تشغيل السخانات وانتظر حتى تبرد الركائز قبل نقلها إلى قفل التحميل. قم بتنفيس القفل بالهواء ثم قم بتفريغ الركائز.

قم بإزالتها بسرعة من حامل العينات وانقلها للتخزين في صندوق قفازات مملوء بالنيتروجين. بعد عملية الترسيب بالطبقة الذرية أو التبخير الحراري، ستتكون على العينة طبقة من كبريتيد القصدير. تخضع جميع العينات بعد ذلك لعملية تلدين في غاز كبريتيد الهيدروجين، يتبعها تخميل للسطح باستخدام أكسيد طبيعي.

تتمثل الخطوة التالية في ترسيب طبقات عازلة من أكسي سلفيد الزنك من النوع N وأكسيد الزنك عن طريق الترسيب بالطبقات الذرية. والخطوة التالية هي ترسيب الموصل الشفاف. نستخدم أكسيد القصدير المطعّم بالإنديوم قبل ترسيب أكسيد القصدير المطعّم بالإنديوم.

يجب تحديد المناطق النشطة للأجهزة. استخدم أقنعة الظل المعدنية لتحديد حجم وسادة أكسيد الموصل الشفاف، والتي تحدد المنطقة النشطة للجهاز. تحدد الأقنعة 11 جهازاً مستطيلاً تبلغ مساحة كل منها 0.25 square centimeters، بالإضافة إلى وسادة أكبر في أحد الأركان تُستخدم لقياسات الانعكاس الضوئي في الرسم.

توضح المنطقة المظللة مؤشراً لحجم طبقة أكسيد القصدير المطعّم بالإنديوم المراد إضافتها للجهاز الواحد؛ قم بتركيب الأجهزة والأقنعة في جهاز محاذاة الأقنعة. يجب أن تكون الأقنعة سميكة بما يكفي لضمان عدم انثنائها داخل جهاز محاذاة الأقنعة، وإلا فقد تصبح منطقة وسادة الأكسيد غير محددة بدقة.

انقل جهاز محاذاة القناع مع الأجهزة المثبتة عليه إلى غرفة الرش. ضع جهاز محاذاة القناع في الموضع المخصص لخطوة الترسيب. الخطوة التالية هي تنمية طبقة رقيقة من أكسيد الإنديوم والقصدير بسماكة 240 nanometer.

للقيام بذلك، قم بتسخين الركيزة إلى 80 إلى 90 درجة Celsius وفعّل دوران الركيزة. اضبط الترسيب بالترذيذ بالتردد الراديوي، والقدرة، ومعدل تدفق غاز الأرجون والأكسجين والضغط، ثم راقب عملية الترسيب تخطيطياً. هذه هي حالة الجهاز بعد ترسيب أكسيد القصدير المطعّم بالإنديوم.

الخطوة التالية هي عملية التعدين. استخدم قناع الظل والتبخير بحزمة الإلكترونات لترسيب 500 nanometers من معدن موصل، إما الفضة أو طبقة مكدسة من النيكل والألومنيوم. هذه عينة مكتملة.

لاحظ أن العينة الموضحة هنا قد تم خدشها بالفعل للكشف عن اتصال الموليبدنيوم الخلفي بعد عملية التصنيع. انتقل الآن إلى توصيف الجهاز باستخدام محاكي شمسي تمت معايرته لمعامل كتلة هوائية قدره 1.5. أولاً، استخدم شفرة مشرط لخدش طبقات التخزين وطبقات كبريتيد القصدير للكشف عن اتصال الموليبدنيوم الخلفي.

ضع العينة بعد ذلك على حامل العينات المثبت على السكة، حيث يقوم تفريغ هوائي بتثبيت العينة في مكانها، مع التحكم في درجة حرارة الحامل عند 25 درجة Celsius. الآن، قم بإنشاء اتصال كهربائي مع كل جهاز من الأجهزة الموجودة على العينة ومع التلامس الخلفي المخدوش. يتم ذلك هنا باستخدام بطاقة مسبار مخصصة تتصل بجميع الأجهزة في وقت واحد باستخدام نحاس البريليوم.

استخدام رؤوس مسبار مزدوجة في وضع الأسلاك الأربعة للقياسات الروتينية. يتم الاستغناء عن استخدام فتحة الضوء لإجراء اختبارات أكثر صرامة، بينما تُستخدم الفتحة لتحديد المنطقة النشطة. ويمكن استخدام قناع الظل من أكسيد الموصل الشفاف لهذا الغرض.

حرك حامل العينات بحيث تكون الأجهزة في الموضع المناسب لجمع بيانات جهد التيار المظلم والتيار المضيء باستخدام نظام اختبار مؤتمت. قم ببرمجة النظام لفحص الأجهزة الفردية بالتتابع مع فتح وإغلاق غالق الضوء. يمكن رؤية عملية الاختبار في هذا الفيديو، ولكن يجب إجراؤها عادةً خلف ستارة سوداء لتقليل الضوء المحيط.

بعد قياسات الجهد والتيار الحالية، قم بتمرير حامل العينة إلى نظام الكفاءة الكمية الخارجية؛ حيث توفر بيانات الجهد والتيار تحت الإضاءة، وبيانات الكفاءة الكمية الخارجية، وقياسات الانعكاس الضوئي توصيفاً أساسياً للأجهزة. فيما يلي بيانات أداء الخلايا الشمسية لأجهزة موجودة على عينتين تم تصنيعهما باستخدام التبخير الحراري. وتتميز العينات باللون الرمادي لإحداهما، واللون الأحمر للأخرى لكل جهاز.

يتم عرض جهد الدائرة المفتوحة، وكثافة تيار الدائرة القصيرة، وعامل الملء، وكفاءة تحويل الطاقة. تبلغ كفاءة أفضل الأجهزة حوالي 4%. ويتوافق الارتباط الظاهري بين الكفاءة وعامل الملء في كلا الجهازين مع الأجهزة التي تعاني من خسائر ناتجة عن مقاومة التوازي أو المقاومة التسلسلية.

تُظهر البيانات الموضحة باللون الأحمر أيضاً وجود ارتباط بين الكفاءة وجهد الدائرة المفتوحة كما هو متوقع لمقاومة التوازي. الخسائر للمقارنة. فيما يلي بيانات أداء الخلية الشمسية للأجهزة المصنعة باستخدام ترسيب الطبقة الذرية.

تتمتع هذه الأجهزة بأداء أفضل من أجهزة التبخير الحراري، حيث حقق أفضلها كفاءة بلغت 4.6%. وقد تعود هذه الفروقات إلى عوامل متنوعة، أحدها هو أن الأجهزة المصنعة باستخدام ترسيب الطبقة الذرية يبدو أنها تعاني من خسائر أقل في مقاومة التوازي.

لا تنسَ أن العمل مع كبريتات الهيدروجين يمكن أن يكون خطيراً للغاية. تأكد من تخزين خزان كبريتات الهيدروجين في جهاز تهوية للهواء مثل خزانة سحب الغازات (film hood) مزودة بكواشف لكبريتات الهيدروجين. نحن نعتبر بروتوكول التصنيع الأساسي هذا بمثابة منصة لإجراء تجارب مضبوطة ومركزة مصممة لتحسين الأداء العام للخلية الشمسية وفهم آليات فقدان محددة بشكل أفضل.

بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية صنع خلية شمسية قابلة للتكرار بنمط الركيزة.